立足物理文化 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)①
——以“小孔成像”教學(xué)為例

劉 璐 王彩霞 樊濟(jì)宇

(1. 揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225002；2. 南京航空航天大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，江蘇 南京 210016)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中提出：“義務(wù)教育物理課程是一門注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程。此階段的物理課程應(yīng)注意讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識和科學(xué)探究方法，提高分析問題和解決問題的能力。”[1]初中物理教學(xué)應(yīng)關(guān)注實(shí)驗(yàn)背后的教育價(jià)值，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入物理文化內(nèi)容，促使學(xué)生了解并經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家解決問題的思維方法。本文以“小孔成像”教學(xué)為例，立足物理文化，挖掘?qū)嶒?yàn)背后的文化價(jià)值和科學(xué)價(jià)值，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 物理文化教育簡述

隨著物理學(xué)體系日漸完善，物理文化也應(yīng)運(yùn)而生。1991年國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注物理文化，解世雄對物理文化做出了概念界定：“物理文化是世界歷代物理學(xué)家在創(chuàng)建物理學(xué)的過程中，發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理語言符號、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)精神、物理儀器設(shè)備以及約定俗成的工作方法的總和?！盵2]將物理文化融入教學(xué)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生思維能力為切入點(diǎn)，通過滲透物理學(xué)史和物理問題生活化等方式幫助學(xué)生了解科學(xué)本質(zhì)，提高核心素養(yǎng)。

2 物理文化融入教學(xué)的現(xiàn)狀

將物理文化融入物理教學(xué)的主張得到了廣大學(xué)者和一線教師的認(rèn)同，通過物理學(xué)史滲透物理文化教育是常用的方式，它一方面可以讓學(xué)生了解科學(xué)的研究背景和研究歷程，通過探究實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷知識的再生產(chǎn)過程，幫助學(xué)生以主動(dòng)建構(gòu)的方式掌握知識；另一方面富含人文性的教學(xué)內(nèi)容能夠活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到寓教于樂的教學(xué)目的。

但在實(shí)際操作時(shí)，卻有人誤將物理文化滲透與物理學(xué)史展示畫等號，使其成為了課堂的點(diǎn)綴。為了將物理文化真正融入教學(xué)，教師在備課時(shí)應(yīng)挖掘出歷史背后的科學(xué)方法，讓學(xué)生在課堂上先以聽故事的方式了解知識產(chǎn)生的背景和歷程，再通過重演歷史探索過程，了解科學(xué)家解決問題的思維方式和行動(dòng)方式，感受知識的形成過程，再結(jié)合生活實(shí)例，激發(fā)學(xué)生探索熱情，由此循序漸進(jìn)地幫助學(xué)生了解、掌握和運(yùn)用科學(xué)知識，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度。

3 物理文化視角下的“小孔成像”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

我國古代學(xué)者早就對小孔成像展開了探究，實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含著豐富的文化積淀。教學(xué)時(shí)以生活情境和詩詞引入，繼而介紹并引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷墨子、沈括、趙友欽等人對小孔成像實(shí)驗(yàn)的探究歷程，輔以科技應(yīng)用實(shí)例的介紹，最后通過總結(jié)、評價(jià)幫助學(xué)生深入理解科學(xué)本質(zhì)。

3.1 以詩詞為引導(dǎo)，創(chuàng)設(shè)物理情境

在學(xué)習(xí)小孔成像實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生已經(jīng)知道光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，為引入小孔成像實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)置以下情境：(1) 天氣晴朗時(shí)，中午從樹蔭下走過，會(huì)發(fā)現(xiàn)地面上有大量的圓形光斑。(2) 南北朝詩人沈約描寫中秋節(jié)時(shí)寫道：“方輝竟入戶，圓影隙中來。”接下來提問學(xué)生：圓形光斑的形成原因是什么？沈約的詩句描繪的是什么？圓影是什么？從而引發(fā)學(xué)生的思考與討論，教師進(jìn)行總結(jié)，并解釋情境中的圓形光斑、圓影其實(shí)就是太陽或月亮透過小孔所成的像。

設(shè)計(jì)意圖：以詩詞和生活中常見的物理現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境，引入小孔成像這一課題。同時(shí)，詩詞的運(yùn)用也利于提高學(xué)生的文學(xué)素養(yǎng)，還能感受中華傳統(tǒng)文化的淵源流長，生活中物理現(xiàn)象的展示也體現(xiàn)了STSE教育理念。

3.2 以歷史為線索，串聯(lián)探索歷程

在學(xué)生初步認(rèn)識了小孔成像之后，為學(xué)生展示我國古代學(xué)者對小孔成像實(shí)驗(yàn)的探索歷程(圖1)。

圖1

春秋戰(zhàn)國時(shí)期成書的《墨經(jīng)》中不僅記載了小孔成像現(xiàn)象，還解釋了該現(xiàn)象的原理，這比西方早了近兩千年。

北宋時(shí)期，沈括在《夢溪筆談》中記載了鳶飛行時(shí)物與像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并運(yùn)用“搖櫓之勢”這一形象比喻描繪了物、孔、像三者之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。

宋末元初，趙友欽在《小罅光景》中詳細(xì)記述了小孔成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)不僅論證了光的直線傳播性質(zhì)，還探究了小孔成像的大小、明暗與物距和孔的大小之間的關(guān)系。[3]

設(shè)計(jì)意圖：通過介紹我國古代學(xué)者對小孔成像實(shí)驗(yàn)的探究歷程，展現(xiàn)我國古代在科技領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),增強(qiáng)學(xué)生的文化自信。[4]

3.3 以實(shí)驗(yàn)為核心，經(jīng)歷科學(xué)探究過程

3.3.1 演示墨子實(shí)驗(yàn)，解釋成像原理

墨子在兩千多年前完成了小孔成像實(shí)驗(yàn)，他在朝陽的一側(cè)墻上開一個(gè)小孔，當(dāng)人對著小孔站在屋外時(shí)，屋內(nèi)對應(yīng)的墻上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)倒立的人像。為演示該實(shí)驗(yàn)，教師需提前準(zhǔn)備好簡易演示儀(圖2)，利用易拉罐模擬該實(shí)驗(yàn)，為使學(xué)生能觀察到像，用半透明紙代替墻面，光源選用亮度較大且易于區(qū)分上下左右的“F”形光源。實(shí)驗(yàn)演示完畢后，結(jié)合《墨經(jīng)》中的記載解釋實(shí)驗(yàn)原理，墨子運(yùn)用思維結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，認(rèn)為光就像射出的箭一樣沿直線傳播，當(dāng)光經(jīng)過小孔時(shí)，物體的底部就成像于光屏高處，物體的頂部成像于光屏低處。因此，小孔成倒像的原理就是光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

圖2

3.3.2 模擬沈括實(shí)驗(yàn)，建立物理模型

根據(jù)《夢溪筆談》的記載，沈括在窗紙上開一小孔，使窗外飛鳶的像能夠呈現(xiàn)在室內(nèi)的紙屏上，觀察到室外飛鳶的運(yùn)動(dòng)情況和紙屏上像的運(yùn)動(dòng)情況正好相反。沈括發(fā)現(xiàn)這與船夫搖櫓這一動(dòng)作極為相似，便基于此為小孔成像建立了物理模型。教學(xué)時(shí)可以使用簡易小孔成像演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別觀察物體向不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對應(yīng)的像的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)完成后，結(jié)合“搖櫓之勢”這一物理模型驗(yàn)證小孔成像實(shí)驗(yàn)中物與像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。模型的建立不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了小孔成像的原理，還能使定性的描述變成定量的計(jì)算，課堂上可以根據(jù)幾何知識來計(jì)算某一物理量，例如將其運(yùn)用到生活中估測某一建筑物的高度等問題。

3.3.3 重溫趙友欽實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)科學(xué)方法

趙友欽為探索小孔所成像的大小、明暗與物距和孔的大小之間的關(guān)系，他設(shè)計(jì)了一個(gè)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在圓板上密插千只蠟燭為物，在兩個(gè)相鄰房間分別鑿四尺和八尺的圓井設(shè)置不同物距，在井口分別放置開有不同大小方孔的圓板改變小孔大小，之后在房頂上觀察所成像的情況。趙友欽設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用了推理、對比、分析等研究方法，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。教學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生模擬趙友欽的實(shí)驗(yàn)，改良實(shí)驗(yàn)裝置(圖3)，選用發(fā)出的光更強(qiáng)、操作更安全的“F”形光源代替蠟燭，用帶有不同小孔(3個(gè)大小不同、3個(gè)形狀不同)且可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)小孔的面板代替開孔圓板。實(shí)驗(yàn)時(shí)將實(shí)驗(yàn)器材放置在皮尺上進(jìn)行操作，便于直接從皮尺上讀出物距和像距。實(shí)驗(yàn)除了可以探究趙友欽所研究的內(nèi)容外，還可以探究像的大小、明暗與像距和孔的形狀之間的關(guān)系。

圖3

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合我國古代學(xué)者研究小孔成像實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識的再生產(chǎn)過程，領(lǐng)略其中的科學(xué)認(rèn)知，以主動(dòng)建構(gòu)的方式深度學(xué)習(xí)，在掌握知識的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3.4 以應(yīng)用為牽引，展示科技發(fā)展

小孔成像在生活中有眾多應(yīng)用，我國元代著名天文學(xué)家郭守敬就運(yùn)用小孔成像原理制作了“景符”和“仰儀”，其中“仰儀”是世界上最早觀察日食的儀器。[5]在西方，達(dá)·芬奇曾利用小孔成像描繪景物，在16世紀(jì)文藝復(fù)興時(shí)期，歐洲出現(xiàn)了專供繪畫用的成像暗箱，之后有人在暗箱的小孔處安放了透鏡，這就是照相機(jī)的雛形，直到現(xiàn)在，針孔攝影仍有用武之地。[6]

設(shè)計(jì)意圖:介紹小孔成像的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生感受到生活處處有物理，也讓學(xué)生了解我國古人的智慧和我國古代科技的領(lǐng)先地位，激勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)，為祖國建設(shè)添磚加瓦。

3.5 通過總結(jié)評價(jià)，認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)

在學(xué)生學(xué)習(xí)了物理知識之后，還需為學(xué)生介紹知識背后的文化背景。科學(xué)的誕生是根植于社會(huì)發(fā)展的，春秋戰(zhàn)國時(shí)期百家爭鳴、百花齊放，思想的解放為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件，處于該時(shí)期的墨家對自然界的研究也突破了直接觀察和想象這一層面，開始運(yùn)用理性思維來分析總結(jié)，用科學(xué)實(shí)驗(yàn)來求證。沈括對小孔成像的研究只是簡單的闡述并依靠形象思維建立了模型，未能深入分析小孔成像。趙友欽則利用實(shí)驗(yàn)透過表象探究規(guī)律。

上述小孔成像的研究歷程是漫長的。由于世界是不斷發(fā)展的，人類對于世界的認(rèn)識也是不斷變化發(fā)展的，同時(shí)由于人們的認(rèn)識受到社會(huì)發(fā)展等的影響，因此對于科學(xué)的認(rèn)知具有局限性和暫定性。從小孔成像的探究歷程可以看到，科學(xué)探究不僅僅依賴于直接觀察，還需要推理、想象和創(chuàng)造，因此科學(xué)探究是一項(xiàng)具有創(chuàng)造性的活動(dòng)；科學(xué)還需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假設(shè)，因此科學(xué)探究又具有實(shí)證性。

設(shè)計(jì)意圖：教學(xué)時(shí)結(jié)合物理知識產(chǎn)生的文化背景，挖掘其中的科學(xué)本質(zhì)教育素材，有助于學(xué)生深刻理解知識及其意義，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

4 結(jié)語

以墨子、沈括、趙友欽為代表的我國古代學(xué)者深入探索了小孔成像的奧秘，其中蘊(yùn)含的科學(xué)思維、科學(xué)研究方法以及科學(xué)精神都是物理教學(xué)可以汲取的精華。因此，我們應(yīng)該將物理文化融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重演前輩們的研究歷程，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。